Mgr inż. Małgorzata Gołaszewska Gliwice, 25.04.2019 Politechnika Śląska
Wydział Budownictwa
Katedra Inżynierii Materiałów i Procesów Budowlanych
ROZPRAWA DOKTORSKA
WPŁYW WAPIENIA NA KSZTAŁTOWANIE SIĘ WŁAŚCIWOŚCI CEMENTÓW WIELOSKŁADNIKOWYCH WAPIENNO-ŻUŻLOWYCH
W dobie polityki zrównoważonego rozwoju, przemysł cementowy, odpowiedzialny za około 5-7% całej antropogenicznej emisji dwutlenku węgla, staje przed koniecznością ograniczenia emisji CO2
w procesie produkcji cementu. Z tego też powodu, oraz względów ekonomicznych, coraz częściej używane są w produkcji cementu dodatki mineralne, takie jak: popioły lotne, granulowany żużel wielkopiecowy, czy zmielony wapień. Można przypuszczać, że ze względu na ograniczone ilości najczęściej stosowanych w kraju nieklinkierowych składników głównych (granulowanego żużla wielkopiecowego i popiołu lotnego), stosowanie wapienia jako składnika głównego cementu będzie bardziej rozpowszechnione w Polsce. Rozszerzenie stosowania wapienia w cementach przewiduje także nowelizacja normy EN-197-1, wprowadzająca cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/C o wyższej zawartości wapienia, a także nowej grupy cementów wieloskładnikowych CEM IV.
Wapień ma korzystny wpływ na szereg właściwości cementu, co jest głównie związane z jego oddziaływaniem fizycznym. Dzięki wyższej od klinkieru miałkości wynikającej z dobrej mielności, wapień działa jako mikrowypełniacz, doszczelniając strukturę zaczynu. Oprócz tego, drobne ziarna wapienia mogą działać jak zarodki krystalizacji (ośrodki nukleacji) produktów hydratacji cementu. Jednocześnie, dodatek wapienia do cementu może negatywnie wpływać na właściwości mechaniczne zapraw, obniżając wytrzymałość na ściskanie i zginanie.
Celem rozprawy doktorskiej było określenie wpływu wapienia na właściwości reologiczne, mechaniczne i ciepło hydratacji cementów portlandzkich wapiennych CEM II/A,B-LL i cementach wieloskładnikowych żużlowo – wapiennych CEM II-A,B,C-M(S-LL) oraz CEM VI (S,LL).
W badaniach własnych uwzględniono dwie technologiczne możliwości stosowania składników wapienia LL w składzie cementu: homogenizację oddzielnie zmielonego wapienia LL, klinkieru i granulowanego żużla wielkopiecowego, oraz wymieszanie zmielonego wapienia z cementami portlandzkimi żużlowymi (CEM II/A,B-S) i hutniczym (CEM III/A), które są produkowane przemysłowo. Zakres rozprawy obejmuje studium literaturowe oraz badania własne wykonane w czterech blokach. W bloku pierwszym przeprowadzono badania właściwości reologicznych, mechanicznych i ciepła hydratacji cementów portlandzkich wapiennych otrzymanych poprzez homogenizację czterech przemysłowo produkowanych cementów portlandzkich z dwoma rodzajami wapienia LL, zmielonych do dwóch powierzchni właściwych. Blok drugi obejmuje badania właściwości reologicznych i ciepła hydratacji cementów portlandzkich żużlowych, otrzymanych w wyniku homogenizacji czterech rodzajów cementu portlandzkiego z dwoma rodzajami granulowanego żużla wielkopiecowego, z których jeden został zmielony do dwóch powierzchni właściwych. W bloku trzecim przeprowadzono badania właściwości reologicznych i ciepła hydratacji cementów wieloskładnikowych żuzlowo – wapiennych otrzymanych poprzez homogenizację trzech cementów portlandzkich z dwoma rodzajami granulowanego żużla wielkopiecowego i dwoma rodzajami wapienia LL o dwóch różnych powierzchniach właściwych. Ostatni blok obejmował badania właściwości reologicznych, ciepła hydratacji i właściwości mechanicznych cementów wieloskładnikowych żużlowo – wapiennych
otrzymanych poprzez homogenizację cementów portlandzkich żużlowych i cementu hutniczego z dwoma rodzajami wapienia.
Dodatek wapienia do cementu w ilości 5-10% masy nie wykazał wyraźnego wpływu zarówno na właściwości mechaniczne, jak i reologiczne, zapraw z cementami portlandzkimi wapiennymi CEM II/A,B-LL i cementami wieloskładnikowymi żużlowo – wapiennymi CEM IIA,B,C-M (S-LL). Zwiększenie zawartości wapienia powyżej 10% w składzie cementu portlandzkiego wapiennego lub cementu wieloskładnikowego miał negatywny wpływ na właściwości mechaniczne zapraw. Wpływ wapienia na właściwości reologiczne zapraw był zależny od rodzaju wapienia, co można łączyć z wyraźnie odmiennym uziarnieniem zastosowanych wapieni. Wapień charakteryzujący się nieciągłym uziarnieniem pogarszał właściwości reologiczne, natomiast wapień o rozkładzie symetrycznym i małej zawartości grubych ziaren nie miał wpływu na właściwości reologiczne.
Powierzchnia właściwa określonego rodzaju wapienia nie miała znaczącego wpływu na badane właściwości cementów portlandzkich wapiennych i cementów wieloskładnikowych żużlowo – wapiennych. Można z tego wnioskować, że stosowanie wapieni o wysokim stopniu przemiału jest nieuzasadnione ekonomicznie i technologicznie.
Dodatek zmielonego granulowanego żużla wielkopiecowego do cementu portlandzkiego CEM I w ilośći 6-30% m.c. powoduje obniżenie granicy płynięcia i wzrost lepkości plastycznej zapraw, przy czym rodzaj i powierzchnia właściwa MGŻW nie ma zauważalnego wpływu na ten efekt. W przypadku cementu portlandzkiego wieloskładnikowego CEM II/A,B,C-M(S,LL) i cementu wieloskładnikowego CEM VI (S,LL) można jednakże zauważyć, że rodzaj żużla wielkopiecowego wpływa na granicę płynięcia zapraw. W zaprawach z dodatkiem żużla wielkopiecowego S-H, o wysokiej aktywności i powierzchni właściwej, granica płynięcia jest porównywalna do granicy płynięcia zapraw z cementu portlandzkiego CEM I. W przypadku zapraw z żużlem S-Z, o mniejszej aktywności i powierzchni właściwej względem żuzla S-H, granica płynięcia obniża się wraz ze wzrostem zawartości żużla wielkopiecowego.
Wapień i zmielony granulowany żużel wielkopiecowy wykazują efekt synergii w odniesieniu do wytrzymałości na ściskanie zapraw z cementami wieloskładnikowymi żużlowo – wapiennymi. Zwiększenie sumarycznej zawartości żużla i wapienia w składzie cementu nie powodowało proporcjonalnego spadku wytrzymałości.
Wyniki przeprowadzonych badań wskazują na możliwość zastosowania wapienia zarówno w cementach portlandzkich wapiennych CEM II/A,B-LL, jak i cementach wieloskładnikowych żużlowo – wapiennych CEM II-A,B,C-M(S-LL) i wieloskładnikowych CEM VI (S,LL).
